Mission erfolgreich: Roboter im Dienst des Menschen

Eine der weltweit größten Einrichtungen für die Roboter­forschung steht nahe der bayrischen Landes­haupt­stadt: Das Institut für Robotik und Mecha­tronik gehört zum gleich­namigen Forschungs­cluster des Deutschen Zentrums für Luft- und Raum­fahrt (DLR). So unterschiedlich die Projekte der fach­über­greifenden Teams auch sind, sie haben doch alle einen gemeinsamen Fokus: den Nutzen für den Menschen.

Julian Klodmann bei der Arbeit an mobilen robotischen Systemen
© DLR/Alexandra Beier

Wer wissen will, wie unsere Zukunft aussieht, ist in Ober­pfaffen­hofen richtig. Im Institut für Robotik und Mecha­tronik des DLR entwickeln 200 Wissen­schaftler­innen und Wissen­schaftler innovative Techno­logien für die unter­schiedlichsten Einsatz­bereiche. Zur Band­breite gehören Roboter­arme und -hände, Lauf­maschinen, Krabbler und frei­fliegende Multi­kopter. Sie sollen künftig gefährliche Reparaturen an Raum­fahr­zeugen im All über­nehmen, wichtige Hand­griffe im Kata­strophen­fall erledigen oder komplizierte medizinische Eingriffe durchführen.

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Julian Klodmann bei der Arbeit an mobilen robotischen Systemen
© DLR/Alexandra Beier

Wendiger Helfer im OP-Saal

Der Chirurg sitzt an der Konsole, vor sich auf dem Display sieht er 3D-Bilder seines Patienten. Über Joy­sticks bedient er zwei bewegliche Roboter­arme, die OP-Instrumente führen. Sie setzen seine Kommandos mit höchster Präzision am Patienten um. In perfektem Zusammen­spiel sollen sie künftig in der Lage sein, exakte Schnitte im Gewebe aus­zu­führen und durch­trennte Adern zu vernähen. Ein dritter weißer Roboter­arm wird ein­gesetzt, um sämtlichen Bewegungen mit einem Stereo-Endos­kop zu folgen. Möglich macht das die Forschungs­platt­form MIRO, die Julian Klodmann in der Gruppe Medizin­robotik weiter­ent­wickelt. MIRO ist ein Leicht­bau-Roboter­arm, der mit umfang­reicher Sensorik gespickt ist. Er ist etwa so groß wie ein menschlicher Arm und hat sieben dreh­moment­geregelte Freiheits­grade oder „Gelenke“. An der Konsole können dem Operateur neben den Bildern vom Patienten­inneren weitere Informationen wie beispiels­weise gemessene Kräfte angezeigt werden. An den Eingabe­geräten kann er das Geschehen sogar spüren. Technologische Komponenten der Forschungs­platt­form wurden bereits an einen industriellen Hersteller lizenziert, der in den nächsten Jahren einen Medizin­roboter auf Basis von MIRO auf den Markt bringen will. Für Julian Klodmann ist die Arbeit damit nicht beendet. „Unser Ziel ist, über entsprechende Sensorik und Instrumente die Informations­erfassung und die Finger­fertig­keit noch zu erweitern“, erklärt der Maschinen­bau-Ingenieur.

Julian Klomann beim Test eines Roboterearms
© DLR/Alexandra Beier

Weitere Einsatzgebiete mitdenken

Die Regelungsarchitektur von MIRO ist flexibel gestaltet, damit das System eine Viel­zahl von medizinischen Eingriffen unter­stützen kann. Außer­dem lässt sich der Roboter­arm mit unter­schiedlichen Instrumenten bestücken. Neben der minimal­invasiven Chirurgie ist die Wasser­strahl­technologie ein interessantes Anwendungs­feld: Mit genau para­metriertem Wasser­druck wird dabei Gewebe geschnitten, zum Beispiel bei der Tumor­ent­fernung. Auch die Wund­aus­waschung könnte so automatisiert werden. Derzeit unter­sucht das DLR-Team in einer Studie mit der Uni­versitäts­klinik Freiburg, wie exakt MIRO per Wasser­strahl krankes Gewebe abtragen kann. Im Team decken etwa 10 Expertinnen und Experten aus den Fach­richtungen Elektro­technik, Maschinen­bau und Infor­matik alle Komponenten des Engineering ab. Julian Klodmann entwickelt die Regelungs­technik und erstellt Modelle, damit MIRO genauer arbeiten kann. Auch Psychologen, Industrie­designer und externe Partner aus der Medizin sind häufig in Projekte eingebunden, um die Anforderungen der späteren Nutzer einzu­bringen und um­zu­setzen. Die Robotik ist sehr inter­disziplinär, weil sie anwendungs­orientiert ist. Das schätzt der 33-Jährige sehr: „Jeder Wissen­schaftler will irgend­wann sehen, welchen Nutzen seine Arbeit bringt.“

Armin Wedler zwischen zwei Explorationsfahrzeugen
© DLR/Alexandra Beier

Fleißige Helfer in lebensfeindlicher Umgebung

Dieser Realitätsbezug ist auch Armin Wedler wichtig. Er entwickelt im DLR mobile robotische Systeme für die Erforschung extremer Umgebungen. Sie könnten für Erkundungs­missionen im Welt­raum ein­gesetzt werden oder in Kata­strophen­gebieten, die für Menschen nur unter großer Gefahr zugänglich sind. Dafür müssen die Roboter unter schwierigsten Bedingungen ihre Umgebung wahr­nehmen und sich darin autonom bewegen können. Der Maschinen­bau-Ingenieur unter­sucht mit seinem Team nicht nur Methoden und Technologien für solche Einsätze, sondern auch die Bewegungs­planung und autonome Steuerungs­ab­läufe, damit die Roboter viel­fältigen Aufgaben gewachsen sind. Sie sorgen zum Beispiel dafür, dass Explorations­fahr­zeuge ohne Unter­stützung von GPS und Nutzer­inter­aktion unfall­frei von A nach B kommen. Je nach Mission können außerdem Greifer nötig sein, die nach einem Chemie­unfall auf der Erde ein Ventil schließen, oder Schaufeln, die von einem Rover aus Gesteins­proben eines fernen Planeten einsammeln.

Armin Wedler hinter Explorationsfahrzeugen
© DLR/Alexandra Beier

Der Mond liegt in Sizilien

Mit rund 30 Kolleginnen und Kollegen aus fünf DLR-Instituten hat Armin Wedler im letzten Sommer in Sizilien eine komplette Mond­mission simuliert. Darunter waren Fach­leute für Planeten­forschung, Mobile Raketen­basis, System­dynamik, Raum­fahrt­systeme und Faser­verbund­techno­logie. Die Mission am Vulkan Ätna war der Höhe­punkt des Projekts ROBEX – ROBotische EXploration unter Extrem­bedingungen. 16 wissenschaftliche Einrichtungen haben unter dem Dach der Helmholtz-Gemeinschaft ihre Expertise gebündelt, um robotische Technologien voran­zutreiben. Am Ätna konnten die Robotik­spezialisten einen Monat lang neben Navigations- und Lokalisierungs­funktionen auch das Greifen von Objekten auf mond­ähnlichem Gelände trainieren. Mit einem seismometrischen Sensor­system, exakt platziert durch einen Roboter­arm, haben sie zudem die Vorgänge im Unter­grund aufgezeichnet. Armin Wedler zieht eine positive Bilanz: „Wir haben gezeigt, dass wir viele Kompetenzen haben, die bei den nächsten inter­nationalen Missionen zum Mond und zum Mars benötigt werden.“

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